團簇催化劑：原子團簇簡介及其在電催化中的應用

化學界通常充斥著復雜的方程式和抽象的概念，催化就是這樣一個概念。它可能會讓您疑惑：當催化劑加速反應時，幕后究竟發(fā)生了什么？雖然教科書可能會將催化劑定義為：“任何降低反應活化能的物質(zhì)"，但它并不一定能描繪出一幅美麗的畫面。它幾乎無法捕捉到反應物和催化劑之間復雜的互動，以引導它們轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。

過渡態(tài)理論是一個強大的工具，它揭示了催化劑的真正魔力。想象一下一個反應物分子，分子 A 在成為產(chǎn)品 B 的旅程中需要克服一個能量障礙，即過渡態(tài)?？朔@個障礙的難易程度決定了反應的速率。催化劑能夠改變分子 A，使其開始轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品 B，加快反應速度！

催化劑無處不在：在我們的身體中，催化劑作為蛋白質(zhì)幫助分解毒素或形成肌肉；在植物中，催化劑利用陽光產(chǎn)生糖分；在化學工業(yè)中，催化劑為我們提供塑造世界所需的材料和技術，為我們提供住所，保障我們的安全和健康，并為我們提供生存和繁榮所需的能量。

PART.1   更可持續(xù)的催化工藝

尋找更好、更便宜、更可持續(xù)的催化劑一直是科學研究的前沿，但這一問題從未像現(xiàn)在這樣緊迫。我們不斷增長的能源需求（由化石燃料推動）引發(fā)了氣候變化，大氣中的二氧化碳濃度從 280 ppm（濃度單位）飆升至 400 ppm 以上，溫度上升超過 1°C，并可能產(chǎn)生后果[1,2,3,4]。

此外，我們的海洋污染越來越嚴重，我們每年傾倒 500 萬至 1000 萬噸塑料（相當于 20,000 架空客 A380 的重量）[5] 。我們?nèi)绾尾拍軇?chuàng)建一個真正可持續(xù)發(fā)展的社會？

PART.2  納米粒子我們的救星！

納米粒子比人類頭發(fā)小 1000 倍，已被廣泛用作催化劑，幫助提高我們經(jīng)濟的可持續(xù)性。它們可以極大地改變重要反應物（如 CO2、N2 和 H2O）的配置。這些分子通常相對惰性，難以改變。這些類型的反應物正是我們希望開始用作資源并大規(guī)模使用的，以使我們的經(jīng)濟可循環(huán)。

然而，納米粒子也有缺點。盡管它們比人的頭發(fā)小 1000 倍，但與二氧化碳等反應物相比，它們還是相當大的。對于 100 納米的粒子，大約有 100,000 個二氧化碳分子可以同時吸收。這意味著，實際上，一個這樣的納米粒子實際上同時相當于約 100,000 個較小的催化劑。

遺憾的是，這些所謂的“活性位點"催化分子 A 到產(chǎn)物 B 的反應的能力并不相同。通常，納米粒子表面只有少數(shù)特定位點在做大部分工作。粒子的其余部分是惰性的?；蛘吒愕氖?，它會催化副反應。生產(chǎn)一種只存在于那一個特定位點的催化劑不是更好嗎？那個做所有工作的位點？

PART.3  集群催化劑：微型“泰坦"

這正是研究人員現(xiàn)在嘗試做的事情。他們不是制造極小但反應物較大的納米顆粒，而是制造簇[6,7,8] 。團簇是由原子以明確定義的原子性結合在一起的原子群。

也就是說，原子總數(shù)明確為 100 個或更少。由于尺寸較小（<2 納米），團簇每次只能容納少量反應物。此外，它們的結構和幾何形狀非常均勻。這意味著，如果找到使反應物 A 與反應物 B 非常相似的簇，就可以在催化劑表面填充非常適合將 A 轉(zhuǎn)化為 B 的“微型泰坦"[9] 。

通過團簇催化，納米粒子非活性部分以前的死區(qū)現(xiàn)在得到了充分利用。這使得整個催化劑更加高效，價格便宜。由于催化劑可能相當昂貴，因此簇的利用可以帶來很大的不同。例如，電解水中的常用催化劑銥的價格為 200,000 美元/千克。使用團簇代替 100 nm 的粒子可以將催化劑成本降低 50 倍！

為了應對我們這個時代的真正挑戰(zhàn)——例如減少我們的碳足跡、從可持續(xù)來源生產(chǎn)肥料、分解和再利用塑料沉積物以及實現(xiàn)真正的循環(huán)經(jīng)濟——我們必須發(fā)現(xiàn)更有效的催化劑。更重要的是，一旦發(fā)現(xiàn)，我們就應該迅速擴大其生產(chǎn)規(guī)模，以產(chǎn)生重大影響。

PART.4   VSParticle 的創(chuàng)新納米打印技術

VSParticle 專注于提供創(chuàng)新解決方案，成為納米粒子生成和打印領域的先驅(qū)。該公司的最新產(chǎn)品 VSP-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)配備集成的 VSP-G1 納米粒子發(fā)生器，可快速輕松地合成和打?。ò耄щ娂{米多孔層，用于各種應用。

VSP-G1 納米粒子發(fā)生器的多功能性為研究人員提供了將粒子尺寸一直減小到團簇狀態(tài)甚至控制其組成的機會[10]。

利用 VSP-P1納米印刷沉積系統(tǒng)，這些團簇可以單獨打印或者裝飾在合適的支撐納米顆粒（如Al2O3、SiO2、TiO2等）上，并打印在幾乎任何基底上，如聚合物、氧化銦錫（ITO）、玻璃、金、碳等，直接生成具有催化活性和機械穩(wěn)定性的催化劑層，以供測試[11]。

VSParticle 旨在占據(jù)高通量實驗領域，該領域采用自動閉環(huán)催化劑優(yōu)化方案，大大加速催化劑的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化。VSP-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)和軟件可實現(xiàn)精確的系統(tǒng)控制和可重復的結果。VSParticle 正在開發(fā)新一代打印機技術，以將催化劑生產(chǎn)規(guī)模擴大到工業(yè)相關產(chǎn)能。

參考文獻

【1】Ritchie, H.; Roser, M. Energy. Our World in Data 2020.

【2】US Department of Commerce, N. Global Monitoring Laboratory - Carbon Cycle Greenhouse Gases. gml.noaa.gov/ccgg/trends/ (accessed 2021-08-16).

【3】Stips, A.; Macias, D.; Coughlan, C.; Garcia-Gorriz, E.; Liang, X. S. On the Causal Structure between CO 2 and Global Temperature. Sci Rep 2016, 6 (1), 1–9. doi.org/10.1038/srep21691.

【4】Fourteenth Session of Working Group I and Fifty-Fourth Session of the IPCC — IPCC. 

【5】 Haward, M. Plastic Pollution of the World’s Seas and Oceans as a Contemporary Challenge in Ocean Governance. Nat Commun 2018, 9 (1), 667

【6】Maisser, A.; Barmpounis, K.; Attoui, M. B.; Biskos, G.; Schmidt-Ott, A. Atomic Cluster Generation with an Atmospheric Pressure Spark Discharge Generator. Aerosol Science and Technology 2015, 49 (10), 886–894.

【7】 Maisser, A.; Barmpounis, K.; Holm, S.; Attoui, M.; Schmidt-Ott, A.; Kangasluoma, J.; Biskos, G. Characterization of Atmospheric-Pressure Spark Generated Atomic Silver and Gold Clusters by Time-of-Flight Mass Spectrometry. Journal of AerosolScience 2021, 156,105780. .

【8】Koolen, C. D.; Luo, W.; Züttel, A. From Single Crystal to Single Atom Catalysts: Structural Factors Influencing the Performance of Metal Catalysts for CO2 Electroreduction. ACS Catal. 2022, 948–973. 

【9】Arenz, M.; Gilb, S.; Heiz, U. Chapter 1 Size Effects in the Chemistry of Small Clusters. In The Chemical Physics of Solid Surfaces; Woodruff, D. P., Ed.; Atomic Clusters: From Gas Phase to Deposited; Elsevier, 2007; Vol. 12, pp 1–51. 

【10】Scalable synthesis of Cu(-Ag) oxide clusters via spark ablation for the highly selective electrochemical conversion of CO2 to acetaldehyde.